一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术针对单一钛合金愈发无法满足高温、高压、大载荷、强腐蚀等严苛工况的问题，提供了一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料及其制备方法。所述钛合金为球形商用钛合金粉末，牌号为纯钛或TA15或TC4；所述增强相为由B4C+RE构成的混合粉末；所述制备方法包括球磨混合、激光熔化沉积、后热处理。后热处理。后热处理。

【技术实现步骤摘要】
一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料加工
，具体涉及一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有密度低、比强度高、综合力学性能好等优点而广泛应用于航空、航天、舰船、兵器等领域。然而，单一钛合金愈发无法满足高温、高压、大载荷、强腐蚀等严苛工况，利用不同材料之间复合化产生的协同效应可有效提高钛合金的综合服役性能。陶瓷粉末是金属基复合材料常用的强化相，陶瓷粉末增强钛基复合材料(Titanium Matrix Composites，TMCs)的耐磨性以及高、低温力学性能优于单一钛合金，可提高钛合金在复杂多样工况下的应用水平。但是，传统成形工艺(铸造、锻造、粉末冶金等)制备的陶瓷/钛合金复合材料存在晶粒粗大、陶瓷粉末团聚、界面结合强度低等缺点，亟需开发新型高性能成形工艺。
[0003]激光熔化沉积(Laser Melting Deposition，LMD)技术作为一种同轴送粉型的激光增材制造技术，利用高能激光束在极短时间内将合金粉末熔化并极速凝固，极大地避免了缺陷的产生，成形的构件晶粒细小、组织均匀，其同轴送粉的成形方式可精准调控粉末原料的种类和配比，能实现复合材料的高质量成形。与激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术相比，激光熔化沉积具有更高的成形速率和更大的成形体积。同时激光熔化沉积的同轴送粉特性可以随时调整粉末的种类和配比，从而更便于制备成分可控的复合材料。
[0004]钛合金常用的增强体有陶瓷粉末(TiB、TiC、TiN等)、金属氧化物(Al2O3、TiO2等)、稀土元素及其氧化物(Ce、Y、Y2O3、La2O3等)，其中TiC和TiB因其密度、热膨胀系数与钛合金基体更加接近而成为钛基复合材料最常用的增强相。目前，激光熔化沉积成形钛基复合材料的形核方式主要是外生型，其存在两个问题：一是增强相制备成本较高，二是增强体与钛基体的界面结合强度较差。为解决该问题，一种基于化学冶金反应的增强相原位自生制备思路应运而生，其优点是：原位自生的增强相为尺寸细小，在基体中均匀弥散分布，与基体的结合界面强度高且纯净无污染。有研究利用激光熔化沉积技术制备了陶瓷粉末增强钛基复合材料，陶瓷粉末的合理选用可提高力学强度，比如适量的TiC(Additive Manufacturing 35(2020)101323)和B(Materials&Design 181(2019)107943)。然而，基于激光熔化沉积技术实现的多相协同增强钛基复合材料还未有系统报道。
[0005]申请人研究表明，B4C粉末可在激光熔化沉积工艺下与钛基体原位反应生成TiB和TiC增强相，由于B4C粉末与钛合金粉末的粒径错配度不同，两者在激光诱发的急速熔化过程中会产生不同程度的物理及化学变化，可改善传统制备工艺中材料的形核方式和晶粒生长行为。除此之外，稀土元素(RE)具有较高的氧亲和性，可优先夺取钛基体中的氧元素，降低钛基体的氧含量并在其中生成稀土氧化物，这一方面可以细化钛基体晶粒，另一方面能够形成弥散分布的稀土氧化物而强化钛基体。因此，利用激光熔化沉积技术制备的B4C+RE
协同强化钛基复合材料，综合性能优于传统成形工艺制备的单一钛合金。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对单一钛合金愈发无法满足高温、高压、大载荷、强腐蚀等严苛工况的问题，提供了一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料及其制备方法。所述钛合金为球形商用钛合金粉末，牌号为纯钛或TA15或TC4；所述增强相为由B4C+RE构成的混合粉末；所述制备方法包括球磨混合、激光熔化沉积、后热处理。
[0007]增强相各组元的作用如下：B4C粉末可在激光作用下与钛基体原位反应生成TiB和TiC增强相，原位自生的TiB和TiC增强相尺寸细小、分布均匀，并且可有效细化基体晶粒组织，它们的密度和热膨胀系数与钛基体较为接近，使得其与钛基体的界面结合强度高，同时未反应的B4C粉末还可提高钛基体的高温力学性能和耐磨性能。RE粉末可在激光作用下与钛基体原位反应生成稀土氧化物，它们均匀细小，弥散分布在钛基体中，并且可以促进表面钝化膜的形成，提高钛基体的力学性能和耐蚀性能。
[0008]制备方法各个工艺的作用如下：球磨混合工艺可将具有不同粒径错配度的B4C粉末、RE粉末及钛合金粉末均匀混合，得到具有不同成分配比的混合粉末，便于混合粉末在激光熔化沉积工艺中充分反应而获得均匀稳定的化学成分；激光熔化沉积工艺利用高能激光束在极短时间内将混合粉末熔化并极速凝固，能够避免缺陷的产生，获得均匀细小的晶粒组织，其同轴送粉的成形方式可精确控制送粉速率，以确保工艺参数的稳定性和重现性；后热处理能够释放激光熔化沉积成形过程中材料内部累积的残余应力，优化钛基体晶粒组织，改善增强相与钛基体的界面结构，提高材料的综合力学性能。
[0009]本专利技术的技术方案为：
[0010]一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料，所述钛合金为球形商用钛合金粉末，牌号为纯钛或TA15或TC4；所述增强相为由B4C+RE构成的混合粉末。
[0011]一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012]第一步：粉末原料球磨混合
[0013]选用粒径分别为15～53μm、50～100nm和38～74μm的钛合金粉末、B4C粉末、RE粉末作为原材料，将不同质量分数的B4C粉末和RE粉末与钛合金粉末混合放入低温球磨罐中，B4C粉末的质量分数为8～20wt.％，RE粉末的质量分数为1～5wt.％，向球磨罐加入球磨介质，通入氩气120s后放气20s，采用上下翻转和左右旋转相结合的方法进行球磨，上下翻转的转速为30～90rpm，左右旋转的转速为200～400rpm，球料比为5∶1，球磨时长为10～20h。
[0014]优选地，B4C粉末的质量分数为8～10wt.％，RE粉末的质量分数为1～3wt.％，上下翻转的转速为60～80rpm，左右旋转的转速为260～320rpm，球磨时长为10～12h。
[0015]第二步：基板及混合粉末预处理
[0016]在激光熔化沉积工艺之前，将钛合金基板用水砂纸进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干，将第一步所得的混合粉末在真空环境中干燥6h，温度60℃。
[0017]第三步：混合粉末激光熔化沉积
[0018]将第二步所得经预处理的混合粉末加入激光熔化沉积设备的粉料罐中，高能激光束按照预设的扫描路径对混合粉末进行熔化，扫描方式为多道多层短边往复方式，激光功
率为700～1300W，扫描速度为400～800mm/min，送粉速度为6～12g/min，熔宽为2～8mm，搭接量为20％～60％，单道次层高为0.2～0.6mm。
[0019]优选地，激光功率为900～1200W，扫描速度为500～600mm/min，送粉速度为9～11g/min本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料，其特征在于，所述钛合金为球形商用钛合金粉末，牌号为纯钛或TA15或TC4；所述增强相为由B4C+RE构成的混合粉末；所述钛基复合材料的抗拉强度为1057～1367MPa，表面摩擦系数为0.19～0.25，显微硬度为569～592HV，腐蚀电流密度为0.242～0.271μA/cm2；与未添加增强相的单一钛合金相比，抗拉强度提高了12.81％～44.39％，表面摩擦系数降低了24.24％～45.71％，显微硬度提高了57.88％～85.95％，腐蚀电流密度降低了16.10％～33.52％。2.如权利要求1所述的一种高强耐磨抗蚀含增强相的钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：粉末原料球磨混合选用粒径分别为15～53μm、50～100nm和38～74μm的钛合金粉末、B4C粉末、RE粉末作为原材料，将不同质量分数的B4C粉末和RE粉末与钛合金粉末混合放入低温球磨罐中，B4C粉末的质量分数为8～20wt.％，RE粉末的质量分数为1～5wt.％，向球磨罐加入球磨介质，通入氩气120s后放气20s，采用上下翻转和左右旋转相结合的方法进行球磨，上下翻转的转速为30～90rpm，左右旋转的转速为200～400rpm，球料比为5∶1，球磨时长为10～20h；第二步：基板及混合粉末预处理在激光熔化沉积工艺之前，将钛合金基板用水砂纸进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干，将第一步所得的混合粉末在真空环境中干...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑洋，赵梓昊，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：